CW 系列萬能式斷路器智能配電技術新發展

管瑞良, 殷建強

(常熟開關制造有限公司(原常熟開關廠),常熟 215500)

0 引言

筆者所在單位致力于提升萬能式斷路器服務于智能配電系統的能力,經過近25 年的研究和發展,CW 系列萬能式斷路器的智能化性能大大提升,尤其體現在CW3 和CW6 系列萬能式斷路器上,不僅提升了原有的保護功能的性能,而且擴展了豐富的多種保護功能。 在此基礎上,加強了在綜合能效管理、精益運維、數字化、可通信等方面的功能開發,以滿足日益提升的智能配電系統集成化、緊湊化、高智能的需要。

1 智能保護的多樣化

電流保護是配電保護的基礎,CW3、CW6 系列萬能式斷路器在傳統的電流保護基礎上為適應配電系統的變化完善了電流保護功能,具體如下。

1.1 長延時曲線斜率可調的保護

通常,低壓空氣斷路器都提供長延時過載保護和短路保護,且長延時過載保護僅提供標準的I2t 曲線,其通過調整長延時整定時間改變長延時保護曲線。 由于長延時保護曲線斜率固定,容易與上級中壓熔斷器的保護曲線重合,導致重合部分無選擇性。 為此,CW 系列斷路器除提供通用的I2t 長延時過載保護功能外,還提供具有符合IEC 60255-3 的長延時曲線斜率可調的IDMTL(Inverse Definite Minimum Time Lag) 保護功能,確保上下級斷路器的選擇性,避免越級跳閘。 其通用反時限I2t、非常反時限(It)和高壓熔絲配合(I4t)長延時過載保護曲線,公式如式(1)～(3)。

式(1)～(3)中:t 為斷路器實際動作時間,Ir1為過載長延時保護動作電流整定值,t1為長延時保護動作時間整定值,I 為實際電流。

在城、農網常見的配電系統設計中,10/0.4kV單臺變壓器上側常采用中壓熔斷器作為保護裝置。中壓熔斷器的保護曲線要比通用長延時I2t 保護曲線陡,如圖1 所示,通用長延時保護曲線就會和中壓熔斷器保護曲線重合,出現越級熔斷中壓熔斷器。若CW 系列斷路器的過載長延時保護曲線調整為高壓熔絲配合(I4t)保護曲線,則斜率增大,實現了與中壓熔斷器的特性匹配,提高了供電可靠性和連續性。

圖1 通用長延時保護曲線就會和中壓熔斷器保護曲線

1.2 雙重參數保護

CW 系列斷路器智能控制器能夠設置2 組不同的保護參數,在電源切換時內置的I/O 模塊通過接收外部切換信號,快速地將電源切換信息傳遞給智能控制器,智能控制器立即將原先的一組保護設置參數切換成另外一組保護設置參數,滿足電源切換后上下級斷路器之間的選擇性,例如當有兩路電源進線(電網/發電機)時,見圖2。

圖2 有兩路電源進線示意圖

在正常的安裝運行條件下斷路器CB4 與電源1 側的斷路器CB1 具有選擇性。 當從電源1 切換至電源2 對負載進行供電時,由于用來保護電源2 中發電機G 的斷路器CB2 設定脫扣時間比斷路器 CB1 要短,所以斷路器CB4 的保護設定值不能保證與斷路器 CB2 之間的選擇性,見圖3-a。 當CB4 為帶有雙重參數保護功能的CW 系列斷路器時,可以把CB4 從一組與CB1 之間有選擇性的保護參數值切換到能與CB2 之間具有選擇性的另外一組保護參數值,見圖3-b。

圖3 斷路器的選擇

1.3 電流方向性保護與方向性區域選擇性聯鎖保護

太陽能、風能等分布式可再生能源發電的發展使傳統的“單電源-輻射式”的拓撲結構發生了改變。 為此CW 系列斷路器增加了電流方向性保護技術。

在多側電源供電發生短路故障時,可以區分故障發生在保護安裝處的哪一側,對故障電流的方向進行了判斷,從而提高斷路器保護的選擇性。 同時,要在多電源系統中實現完全的選擇性保護,還需要通過斷路器之間的實時通信才能實現選擇性保護,也就是需要將方向性保護與區域選擇性聯鎖功能(ZSI,Zone Selective Interlocking)兩種技術相結合,形成方向性區域選擇性聯鎖保護功能。

通過斷路器智能控制器電流方向性保護默認設定電源供電電流的參考方向為上進下出,若故障電流的流向與參考方向一致(即正向),則動作時間為t5F;若故障電流的流向與參考方向相反(即反向),則動作時間為t5B,具體見下表1。

具有方向性區域選擇性聯鎖保護功能的CW 系列斷路器具有兩個輸入信號端口(正向/反向),斷路器可通過它們接收從其他斷路器發出的閉鎖信號;兩個輸出信號端口(正向/反向),向其他斷路器發出閉鎖信號。 當斷路器沒有接到閉鎖信號時將根據故障電流方向立即分斷,若接到閉鎖信號時則根據故障電流方向在“正向”或“反向”設定時間內分斷。 如果短路電流超過設定值Ir3(瞬時故障電流設定值),斷路器將不受接收信號和方向的限制立即分斷。 方向性ZSI 的優點體現在:(1)繼承了方向性保護的優點。 通過對短路潮流方向的判斷,自然地形成越靠近短路點的斷路器越優先動作的結果,最大限度減小了停電范圍;(2)繼承ZSI 保護的優點。 短路保護延時時間不隨斷路器級聯數增加,有效解決因階梯延時的弊端——近電源端故障不能被快速切除,造成故障持續時間增長。

方向性保護動作參數 表1

以下介紹方向性區域選擇性聯鎖保護在微網中的一個典型應用,示意如圖4。

短路故障發生在A 點(見圖4),CB1 優先斷開。CB1、CB2、CB3 均帶有方向性區域選擇性聯鎖保護功能,CB1 中的實際電流方向與設置的電流參考方向相反,CB2 中的實際電流方向與設置的電流參考方向一致,CB3 中的實際電流方向與設置的電流參考方向相反,CB1 的方向性ZSI 反向輸出信號端就會向CB2 的方向性ZSI 正向輸入信號端和CB3 的方向性ZSI 反向輸入信號端發出閉鎖信號,同時CB1 將快速斷開,CB2 與CB3 將按設定的正向或反向延時時間處理。 同樣,當短路故障發生在B 點時CB2 優先斷開,當短路故障發生在C 點時CB3 優先斷開,不再詳述。

CW3、CW6 系列萬能式斷路器在完善電流保護的基礎上,通過增加電壓測量和精確的電壓計算,實現電壓保護、功率保護和頻率保護等全方位的保護,具體如下。

(1)電壓保護,包括過/低電壓保護、電壓不平衡保護、相序保護。

1)過/低電壓保護

電氣設備中的電壓必須保持在一定限值內(最大值與最小值之間),超出這些限值會嚴重影響負載的運行和性能。 過/低電壓保護能夠實現對系統電壓的持續監測,當電路中任一相電壓大于/低于動作閾值整定值,并超過動作延時(定時限動作),斷路器就跳閘或發出報警信號。 如此后電壓小于/大于返回閾值整定值,并超過返回延時(定時限動作),斷路器則解除報警信號。 過/低電壓保護功能可設定開啟或關閉,開啟包括發出報警信號或跳閘。

主要對由中心點電位漂移引起相間不平衡進行保護。 當三相電壓不平衡度大于動作閾值整定值,并超過動作延時(定時限動作),斷路器就跳閘或發出報警信號。 若三相電壓不平衡度小于返回閾值整定值,并超過返回延時(定時限動作),斷路器則解除報警信號。 電壓不平衡保護功能可設定開啟或關閉,開啟包括發出報警信號或跳閘。

3)相序保護

用于對相序有要求場合。 當檢測到相序與動作閾值不同,超過動作延時(定時限動作),斷路器就跳閘或發出報警信號。 如果一相或多相電壓不存在時,此功能自動退出。 相序保護功能可設定開啟或關閉,開啟包括發出報警信號或跳閘。

(2)功率保護,功率保護包括逆功率保護(有功)、逆功率保護(無功)、過功率保護(有功)、欠功率保護(有功)、過功率保護(無功)。 各種功率保護適用于發電機保護,限于篇幅,以下僅介紹常用的逆功率保護(有功)。

通常,功率從發電機流出,當供給發電機的動能突然減小時,就會產生逆向功率,在這種情況下,發電機就會變成電動機,這會對原動機造成嚴重損壞,如蒸汽渦輪過熱、液壓渦輪出現水穴、柴油機中的柴油不能充分燃燒而產生的爆炸等。 另外,在光伏電站采用自發自用并網模式時,為保護配電網不受沖擊,需要防止太陽能系統電力饋入配電網。 為此,CW 系列斷路器提供的逆功率保護在產生逆向功率時使原動機(汽輪機、燃氣輪機或柴油機)免于損壞,或當配電網發生故障時快速地將分布式電源與配電網斷開,防止發生功率倒送。

CW 系列斷路器逆功率保護基于有功功率的計算,有功功率的流向通過在智能控制器的菜單中進行設定明確。 默認情況下,如果有功功率的傳遞是從斷路器的頂部向底部流動的,則將有功功率的流向指定為“P+”,即假設電源進線接于斷路器頂部(上端供電斷路器)。 如果有功功率的傳遞是從斷路器的底部向頂部流動的,則將有功功率的流向指定為“P-”。 設置逆功率保護的動作閾值、動作時間(定時限),當有功功率的流向和設定功率方向相反,且大于動作閾值整定值,并至動作時間,斷路器就跳閘或發出報警信號。

(3)頻率保護,包括過頻保護、欠頻保護、頻率變化率保護,主要適用于發電機保護。

1)過/欠頻保護

對于全民學習共享平臺而言，教學質量是平臺社會服務能力的體現，對教學質量提出高要求，才能規范教學活動的各個環節，促進教學效果的優化。教學質量管理是全民學習共享平臺的品質保證：

在電氣安裝中,必須將頻率維持在可接受的操作水平,盡可能減少對電機負載、敏感電氣設備造成損害的風險,這樣才能確保所有負載正常操作和發揮作用。 通過對頻率的持續監控,可以在異常情況或者緊急情況下采取適當措施,保障設備運行,例如:負載卸載、電源切換以及發電機緊急啟動。過/欠頻保護可設定開啟或關閉,開啟包括發出報警信號或跳閘。

2)頻率變化率保護

頻率變化率保護可以快速檢測出正向和反向頻率變化。 該功能為定時限保護,當頻率變化速率Hz/s 超出設定閾值時動作。 頻率變化率保護可用于分布式發電系統中孤島檢測,例如主電網因故障脫離,此時需要將分布式發電系統斷開,以消除孤島下的潛在危險。 頻率變化率保護功能可設定開啟或關閉,開啟包括發出報警信號或跳閘。

2 集成測量功能的能效管理

電氣系統應用中常采取各種措施使電器達到所需的最佳電能消耗,現在各國旨在以標準為管理手段,針對各類用能產品制定能效標準。 其中,國際電工委員會制定的IEC 60364-8-1 標準在能效管理方法的框架內介紹了電氣設備的設計和能效評估的要求、建議和方法,以獲得最低的電能消耗和最可接受的能源利用率。 由于復雜的能效管理是建立在電氣設備能夠提供高精度測量功能的基礎上,因此IEC 60364-8-1 第8.3.1.1 條“精度和測量范圍要求”規定了低壓配電系統各安裝位置用于成本管理的測量精度要求,見表2。

精度和測量范圍要求 表2

為此,CW3 系列萬能式斷路器有功電能測量精度2 級,可替代傳統的表計應用于主配電側與饋線配電側,并具有集成測量互感器、接線簡單等優點。最新推出的CW6 系列萬能式斷路器有功電能測量精度達到1 級,可滿足進線側、主配電、饋線配電的監測要求。

低壓配電系統中測量和監控電參數的綜合性能和監控裝置的要求可參考IEC 61557-12(對應國標GB/T 18216.12),該標準還定義了性能測量和監控裝置(PMD)分類,CW 系列斷路器內置互感器屬于PMD-DD,與多功能表(PMD-SD)相比,減少了外部互感器和接線造成的不確定性和多變性,降低了綜合系統不確定影響,確保了測量的一致性和可靠性。

CW 系列斷路器具有豐富的測量功能如圖5 所示,可將測量數據上傳至智能配電云管理平臺,用戶可以通過管理軟件查看數據,設備數量、能耗、負荷一目了然,用戶可對配電系統進行管理、分析計算,自動生成系統各部分電能報表數據,幫助用戶有效地管理負荷,減少非正常耗電,實施降耗計劃。

圖5 CW 系列斷路器的測量功能

3 集成靈活緊湊的負荷調配功能

通過避免負載的不協調操作來調解電能需求,自動控制下游負載功率是有效降低成本的最佳解決方案,為此CW6 系列斷路器集成獨具特色的智能電能控制功能和以功率為基礎的負載監控功能。

3.1 智能電能控制

圖6 所示為CW6 系列斷路器通過集成智能電能控制模塊,可以監視系統負載、限制功耗,充分利用接入負荷的大量數據資源(電流、電壓、電能、功率等)進行實時邊緣計算實現智能負荷調控,提高電氣系統效率,并具有以下特色。

(1)獨創的基于大數據的負荷預測與風險估計算法,綜合多種約束條件進行優化決策,在充分利用負荷的同時確保在需量周期內不會超過需量限值,調控更精準。

(2)電能控制模塊嵌入式設計,安裝簡便,可組成本地局域控制網絡,并自主、自動地進行控制,不依賴其它的上位機或云計算資源,具有更好的實時性、穩定性與安全性。

(3)基于優先級的控制,確保重要負荷的供電可靠性,針對不同的用戶需求及數據特征進行差異化及定制化的算法設計。

(4)實現需量限值的分時段控制,充分優化電能使用,綜合鎖定保護時間、故障脫扣自動脫離、最小需量要求、用戶禁用時段等進行優化調控。

3.2 以功率為基礎的負載監控

圖6 CW6 系列斷路器集成智能電能控制模塊

CW6 系列斷路器還可通過功率卸載方式進行負荷調配,即監控下級負載的有功功率,保證重要負荷持續供電。 具體為,通過I/O 模塊設置2 路功率卸載輸出,當斷路器功率大于動作閾值整定值,并至動作延時,斷路器應發出信號分斷次要負載或報警;以后當斷路器功率小于返回閾值整定值,并至返回延時(定時限動作),斷路器應發出信號解除報警。 功率卸載功能可設定開啟或關閉。

4 集成精益運維的管理功能

隨著傳感器技術的發展,CW6 系列斷路器可通過多維度的運行監測,實現對斷路器健康狀態的診斷。 同時,采用云技術對維護數據進行管理與分析,為斷路器提供健康評分、運維建議和計劃,提升操作連續性和可靠性,延長維護周期、降低維護成本。

4.1 健康診斷

(1)健康測試:用戶定期對斷路器進行維護,對斷路器簡單的操作而獲得斷路器的健康狀況。 通過選配斷路器電氣合分運動特性測試模塊,實時監測斷路器運動特性,判斷電氣合閘或分閘運動的性能是否處于良好運行狀態,如果發生異常就發出報警。 通過模擬脫扣操作判斷故障脫扣回路是否異常,如果發生異常就發出報警。

(2)健康提醒:斷路器日常運行時智能控制器通過實時監測斷路器的工作狀態,當出現異常時及時向用戶發出報警提醒。 對電流互感器和脫扣回路監測,當發生連接不良或線圈斷線時發出報警。實時監測斷路器內部附件工作狀態,包括閉合脫扣器、分勵脫扣器、欠壓脫扣器、電動操作機構等,當發生附件連接脫落或附件線圈斷線時發出報警。還可以監測智能控制器、觸頭及母線溫度,當溫度異常時就發出報警。

(3)健康預測:斷路器通過對采集到的數據進行分析、計算來評估斷路器的損耗情況,進而預測剩余壽命。 自動監測觸頭磨損當量,根據斷路器運行時帶電或不帶電操作次數,計算剩余電氣壽命、剩余機械壽命。

4.2 數據管理

數據管理包括斷路器的脫扣/報警記錄、操作記錄、健康診斷記錄、電能質量分析記錄、最大/最小值記錄、故障錄波等,每個記錄帶時間標簽,不僅可以在智能控制器上查看,而且可通過手機APP、USB、現場總線通信以及云端管理平臺等進行監測與管理,圖7 為數據管理平臺,并根據嚴重度(高、中、低)進行故障分析和按計劃進行預防性維護保養。

圖7 數據管理平臺

通過對萬能式斷路器進行數據管理,能夠從以下方面提升。

(1)報警更加智能化

報警將分等級,并根據等級直接推送到運維、檢修人員的手機端,并能夠根據報警智能創建工單。

(2)監測運行數據更加智能化

不僅能夠監測斷路器的運行狀態,同時能夠將斷路器的整定參數、負載特性以及設備運維數據一并上傳到云端。

(3)運維管理

在云端的管理平臺如圖8 所示,能夠分析現場的設備運行數據,結合設備的運行參數、歷史信息,利用大數據分析功能,自動生成斷路器的老化程度分析,并就老化程度向運維人員提供報警、更換等建議。 在斷路器發生緊急故障的情況下,部署在云端的管理平臺將第一時間生成警報,向運維人員提示故障回路信息、故障造成的潛在影響、停電范圍評估、故障檢修預案等。

圖8 運維管理界面

5 結束語

隨著全球能源革命以及電力應用的快速發展,配電系統正在發生深刻變化,特別是新能源的大量接入對低壓電器智能配電技術提出了新的要求,CW系列斷路器為適應這種需求,提供了多方位的智能配電保護、能效管理、負荷調配、精益運維等功能。限于篇幅,本文僅對 IDMTL 保護、雙重參數保護、方向性保護等功能以及能效管理、負荷調配、精益運維進行了介紹,并給出了一些典型的應用,為CW 系列斷路器的選型和使用提供參考。